基于单片机的K型热电偶冷端自动补偿设计

燕山大学毕业设计（论文）任务书注：表题黑体小三号字，内容五号字，行距18磅。

（此行文字阅后删除）摘要摘要热电偶传感器是目前应用最广泛的测温传感器之一，有温度测量的“常规武器”之称。

在工业生产中应用及其广泛，而作为检测技术和仪器仪表最主要的测量工具，热电偶的精确与否显得越发重要。

根据热电偶测温的原理可以得知，只有其冷端温度保持恒定时，测得的热电势才是被测温度的单值函数，而冷端温度通常置于外界环境中很难保持恒定，因此要对热电偶进行冷端补偿。

本文介绍了热电偶工作的一般原理和其冷端补偿的原理，着重介绍了几种常用的冷端补偿的方法和DHT11数字式温湿度传感器的工作原理，提出了用DHT11解决冷端补偿的方法，提高了测量的精度，简化了补偿电路。

关键词热电偶；冷端补偿；DHT11；温度测量燕山大学本科生毕业设计（论文）AbstractThermocouple sensor is one of the most widely used temperature sensor currently,which known as the temperature measurement “conventional weapons”. Its applications in the industrial production is very wide, and as the main detection technique and instrumentation measurement tools, thermocouples’precision is becoming more and more important.According to the principle of thermocouple, we can know that only its cold junction temperature is kept constant, the measured thermoelectric power is a single-valued function of the measured temperature, but the cold junction temperature is usually placed in the external environment, it is very difficult to maintain a constant, so we must have cold junction compensation for thermocou- ples.This article describes the the general principles of thermocouple and its cold junction. highlighting several common cold junction compensation method and the principles of DHT11 digital temperature and humidity sensor proposing a method which using DHT11 to solve cold junction compensation. improving the measurement accuracy, simplifying the compensation circuit.Keywords thermocouple; cold junction compensation; DHT11; temperature measurement目录摘要 (Ⅰ)Abstract (Ⅱ)第1章绪论 (1)1.1课题的背景及意义 (1)1.2热电偶冷端补偿发展概况 (2)1.3本文主要研究内容 (8)第2章热电偶工作原理与冷端补偿 (10)2.1热电偶的测温原理 (10)2.1.1热电效应…………………………………………………………………2.1.2 热电偶的工作定律…………………………………………………2.2热电偶的类型和结构 (10)2.2.1标准化热电偶…………………………………………………………2.2.2非标准化热电偶………………………………………………………2.2.3热电偶的结构…………………………………………………………2.3冷端温度补偿 (10)2.3.1冷端补偿的原理 (10)2.3.2传统的冷端补偿的方法 (12)2.4 本章小结 (14)第3章基于STM8单片机的补偿方案硬件设计 (14)3.1总体的系统设计……………………………………………………………3.2 STM8单片机简介……………………………………………………………3.3 热端温度测量模拟实现…………………………………………………3.4冷端温度测量电路…………………………………………………………3.4.1 DHT11工作原理………………………………………………………3.4.2冷端温度测量…………………………………………………………3.5数码管显示系统设计………………………………………………………3.5.1数码管原理……………………………………………………………3.5.2 MAX7219简介…………………………………………………………3.6本章小结………………………………………………………………………第4章软件设计…………………………………………………………………………4.1 A/D模拟热端信号程序设计……………………………………………4.2冷端温度采集程序设计…………………………………………………4.3数码管显示程序设计………………………………………………………4.4本章小结………………………………………………………………………结论 (89)参考文献 (90)致谢 (91)附录1 (92)附录2 (93)第1章绪论第1章绪论1.1 课题的背景及意义科学上的重大发现，往往是由于新的观测手段的发展而获得的。

武汉理工大学毕业设计（论文）基于单片机的数码管显示的K型热电偶温度计的设计与仿真学院(系): 信息工程学院专业班级: 信息工程xxxx班学生姓名: xx指导教师: xx学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

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作者签名：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

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本学位论文属于1、保密囗，在年解密后适用本授权书2、不保密囗。

作者签名：年月日导师签名：年月日摘要本文主要介绍了基于热电偶温度传感器的测温系统的设计。

利用转换芯片MAX6675和k型热电偶，将温度信号转换成数字信号，通过模拟SPI的串行通信方式输送数据，在通过单片机处理数据，最后由数码管显示数据。

本文采用了带有冷端补偿的温度转换芯片MAX6675、K型热电偶、89C51单片机、数码管等元器件设计了相应温度采集电路、温度转换电路、温度数码管显示电路。

结合硬件电路给出了相应的软件设计，测温精度可达到0.25℃。

本系统的工作流程是：首先热电偶采集温度，数据经过MAX6675内部电路的处理后送给单片机进行算法处理，最后通过数码管电路显示出测量温度。

本设计最后对系统进行了proteus的调试和仿真，实现了设计的要求。

关键词温度传感器热电偶热时间常数冷端补偿ABSTRACTThis design describes the thermocouple temperature sensor based on the rapid temperature measurement system.The temperature signal is converted into digital signals by useing conversion chip max6675 and k-type thermocouple, conveying data via serial communication simulation spi in processing the data through the microcontroller, the final data from the digital tube displayThis design uses a temperature conversion chip MAX6675，K-type thermocouple, 89C51microcontroller, LED and other components, design corresponding temperature acquisition circuit, temperature converter circuit, the LED display circuit. With the hardware give out The corresponding software design, temperature measurement accuracy up to 0.25 ℃．The system works is: first acquisition thermocouple temperature data through the Treatment of the of the MAX6675 internal circuit and be then sent to 89C51 Aim for rapid algorithm processing. Finally, the LED circuit shows the measurement temperature values. In the last, the design of the system was proteus debugging and simulation,achieve the design requirements.KEY WORDS Temperature sensor Thermocouple Thermal time constant Cold junction compensation目录摘要 (III)ABSTRACT (IV)第1章绪论 (1)第2章系统原理概述 (2)2.1 热电偶测温基本原理 (2)2.2 热电偶冷端补偿方案 (2)2.2.1 分立元气件冷端补偿方案 (2)2.2.2 集成电路温度补偿方案 (3)2.2.3 方案确定 (4)2.3硬件组成原理 (4)2.4软件系统工作流程 (4)第3章元件和软件介绍 (6)3.1 单片机选择及最小系统 (6)3.2 热电偶介绍 (7)3.2.1 K型热电偶概述 (7)3.3 数字温度转换芯片MAX6675简介 (7)3.3.1 冷端补偿专用芯片MAX6675性能特点 (8)3.3.2 冷端补偿专用芯片MAX6675温度变换 (9)3.4 KEIL软件仿真软件介绍 (9)3.5 PROTEUS硬件仿真软件介绍 (10)第4章程序设计及硬件仿真 (11)4.1 数据的采集 (11)4.2 数据传输部分 (11)4.3 数据处理部分 (14)4.3.1 数据转换 (15)4.3.2 进制转换 (17)4.4 显示部分程序及仿真 (19)第5章系统仿真 (23)结论 (25)参考文献 (26)附录 (27)致谢 (34)第1章绪论温度是反映物体冷热状态的物理参数，对温度的测量在冶金工业、化工生产、电力工程、机械制造和食品加工、国防、科研等领域中有广泛地应用。

第２２卷第１期２００９年１月机电产品开簋与纠新Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ＆ＩｎｎｏｖａｔｉｏｎｏｆＭａｃｈｉｎｅｒｙ＆ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＰｒｏｄｕｃｔｓＶ０１．２２，Ｎｏ．１Ｊａｎ．．２００９基于单片机的Ｋ型热电偶冷端自动补偿设计汪定江，王东锋，杨后川（空军第一航空学院，河南信阳４６４０００）摘要：以单片机强大的数据处理功能为基础，以试验数据的拟合而不是理想集成运放的计算公式为测量依据．提出了检测环境电势和现场电势的新方法．并根据两者之和即为热电偶标准电势这一基本依据，设计了热电偶冷端自动补偿系统的硬件及相关软件。

由于采用了软件对各电势信号处理。

大大简化了传统补偿电路，使硬件设计仅包括环境温度测量、现场电势测量及单片机的信号处理三个模块．并且显著降低了成本。

仿真及试验结果表明。

本补偿系统可使控温最大偏差＜５℃。

关键词：Ｋ型热电偶；冷端补偿；单片机；热端温度中图分类号：ｔＩＰ３６８文献标识码：Ａ文章编号：１００２—６６７３（２００９）０１—１２３—０３０引言热电偶在热处理炉温控制、航空发动机排气温度检测等１００．１３００％较高温度测量领域有着广泛应用１１１．其测量精度意义重大。

由于反映热电偶所测热源温度的热电势是在其冷端温度为０℃时测量的日．而实际应用中。

热电偶冷端温度往往不是０℃。

并可能受环境影响而在一５０一＋５０℃范围内变化．这种大幅度的环境温度变化可使热电偶的测量产生巨大误差，如不进行冷端补偿，必将严重影响产品质量和设备状况的精确监控ｐｌ。

传统的热电偶冷端补偿方法是在使用前根据环境温度进行调零。

但即使在一个工作日内的环境温度变化也很大．如早上和中午的温差可能超过１０℃．人工不可能随环境变化而对热电偶进行时时调零。

除此以外，进行冷端补偿的电路往往非常复杂．除了需要专用集成电路和传感器以外，还必须附加众多的电阻、电容和集成运放等外围元件，大大增加了电路成本和体积。

显然开发一种线路简单、测量可靠并能实现冷端自动补偿的热电偶测温仪表，对于工业生产和科研实践具有重要的实用意义。

k型热电偶冷端补偿方案热电偶是一种常用的温度检测设备，广泛应用于工业和科学领域。

它由两种不同材料的金属导线组成，通过两端的温度差异产生的热电势来测量温度。

然而，热电偶的冷端温度并非始终恒定，这就需要我们采取相应的补偿方案来保证测量结果的准确性。

为了解决冷端温度变化对热电偶测量的影响，我们可以采用冷端补偿方法。

冷端补偿方案旨在通过一系列措施来抵消冷端温度的变化，从而提高测量的准确性和稳定性。

1. 环境隔离首先，我们可以采取环境隔离的措施。

将热电偶的冷端与环境隔离，避免外部环境因素对冷端温度的影响。

可以采用保温材料或者将冷端放置于恒温腔内来实现环境隔离。

2. 温度补偿电路其次，我们可以引入温度补偿电路。

通过测量冷端温度，然后根据温度变化来调整输出的热电势，以实现对冷端温度的补偿。

这可以通过添加电路元件、传感器和控制器等来实现。

3. 使用冷端补偿导线另外，选用适当的冷端补偿导线也是一种有效的补偿方案。

冷端补偿导线与热电偶连接，可以通过导线自身的材料特性来对冷端温度进行补偿。

而K型热电偶常使用镍铝和铜作为导线材料，所以选用相应的冷端补偿导线能够有效抵消冷端温度的变化。

4. 系统校准最后，对热电偶系统进行定期的校准也是非常重要的。

通过与已知温度进行比对，对热电偶系统进行误差校正。

校准可以帮助我们了解系统的准确性，并及时调整补偿方案，以保证测量结果的准确性。

总结起来，k型热电偶冷端补偿方案包括环境隔离、温度补偿电路、冷端补偿导线和系统校准等方面。

通过综合应用这些补偿方案，我们可以有效抵消冷端温度的变化对热电偶测量的影响，提高温度测量的准确性和稳定性。

注：本文所述的k型热电偶补偿方案仅供参考，具体应根据实际需求和情况灵活应用。

K型热电偶冷端补偿方案时间:2007-12-07 来源: 作者:郭锐徐玉斌点击：1742 字体大小:【大中小】1 引言在SMT 行业中为满足自动化大批量生产的需要,绝大多数企业采用隧道式连续传送结构的回流焊炉。

这种回流焊炉普遍至少具有3 个温区。

由于印制板上的温度变化远比仪表的显示温度复杂得多,因此对于回流焊炉操作者来说只凭经验,很难在短时间内把这种回流焊炉的温度和传动速度调节到最佳状态。

因此,须将细丝状K型热电偶的探头用焊料或高温胶粘剂固定在印制板的监测点上,温度记录器和印制板一起随炉子的传送网或传送链从炉膛中穿过,与此同时,记录器自动以预定时间间隔采样热电偶的温度信号,并将随时间变化的温度数据保存在记录器的非易失性存储器中。

在此过程中, 温度记录仪的外界温度可能达到270 ℃以上,其内部温度采取必要的隔热技术后也在60 ℃左右。

而热电偶的理论冷端温度为纯水冰点温度(0 ℃) ,故而必须对此给予补偿。

2 方案选择2.1 硬件系统方案现有产品多采用3 种方法测量冷端环境温度。

(1) 直接借用CPU 内部温度传感器,如Cygnal 的CF020。

然而,首先记录仪内部温度场并不均匀,热点偶补偿线接入点的温度与CPU 的表面温度存在差值;其次,集成温度传感器的灵敏度一般为0.1 ℃,精度±2 ℃,难以满足测量要求。

(2) 使用新型智能温度传感器,如美信DS1626,12bit 采样精度,3 线串行数据通信, 0 ℃to + 70 ℃，2.7V<VDD<3.0V 的条件下,灵敏度0.0625 ℃,最大误差±0.5 ℃。

但此方法同样存在芯片外壳对环境温度的滞后性影响问题。

另外,仪器内部的环境温度最大变化率可能达到1 ℃/S ,而芯片电气特性要求采样周期超过0.75S ,周期相对过长。

(3) 高精度A/D 采样芯片+远端温度传感器。

经过理论分析和实践,我们采用了改进型的第3种方案。

1.概述1.1题目名基于单片机和K 型热电偶的温度测量仪表设计1.2功能和技术指标要求（1）温度测量范围：室温~200℃；（2）温度检测元件：K 型分度号热电偶；（3）具有热电偶冷端温度自动补偿功能；（4）温度测量精度：1℃±FS*2%；（5）温度显示：LED 或LCD 数字显示，显示分辨率0.1℃（6）具有温度上限、下线设置功能，当温度测量值越限时，进行声光报警；（7）电源：电网AC220V , 要求在电网电压变化±15%范围内能够正常工作。

1.3国内外相关情况概述温度的测量的历史：第一个温度传感器是伽利略做出来的。

而温度测量的里程碑是由法勒海特设计的水银温度计。

1740年瑞典人摄氏提出在标准大气压下，把冰水混合物的温度规定为0度，而水的沸腾度为100度。

温度测量在保证产品的质量，节约能源，安全生产起到至关重要的作用。

技术现状有点到线，线到面温度分布的测温技术；由表面到内部的测温技术。

发展趋势是由于环境的多样化，复杂化，测温对象的多样化，智能检测成为现在温度测试的趋势。

所以要加强新工艺的开发；向着智能化发展。

2.技术方案2.1温度测量的基本方法与原理常见的温度测量方法和测温原理有：接触式，原理是热胀冷缩，这种方法测温方便。

液体式（如毛细管，水银温度计），原理是受热，液体膨胀系数变大，从而液体上升。

这种方法测温比较准确。

2.2总技术方案温度测量仪表功能结构先读取环境温度，热电偶测得温度经过ADC转换器变成数字，测得冷端温度，用补偿法再计算出温度值，送到显示器显示。

如果温度超过上限设置，下限设置则蜂鸣器报警，且LED 灯变红。

3.硬件设计3.1热电偶放大器设计冷端补偿专用芯片MAX6675的温度读取芯片MAX6675采用标准SPI串行外设总线与MCU接口，MAX6675只能作为从设备。

温度值与数字对应关系为:温度值=1023.75×转换后的数字量/40953.2热电偶冷端温度补偿方法及电路冷端补偿法：测冷端温度补偿法再计算出温度值送到显示器（循环）LCD显示（循环）ASC码电路：3.3ADC电路由MAX6675完成AD转换。

热电偶冷端温度的计中主要方法和补偿原理下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。

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热电偶冷端温度补偿法一、引言在温度控制系统中，热电偶是一种重要的传感器，常用于高温环境的温度测量。

但由于热电偶产生的热电势取决于其两端的温度，只有在冷端温度保持恒定时，其输出的热电势才是测量端（热端）温度的单值函数。

而且，工程技术上广泛使用的热电偶分度表和根据分度表刻划的测温显示仪的刻度都是根据冷端温度为0°C而制作的。

因此，对它的冷端温度必须进行补偿，才能保证热电偶测量精度。

热电偶冷端温度的补偿方法很多。

在工业仪表和生产现场中，常规补偿方法有冷端温度补偿法和补偿电桥法。

较先进的补偿方法，如智能补偿法，则具有精度高，存储容量小，查表速度快等特点，是最具有发展潜力的方法之一。

二、冷端温度补偿法如图1所示，两导体A、B间的电偶电势为：(1)式中，T—接触处的绝对温度；K—波尔兹曼常数；e—电子电荷量；nA、nB—导体A和B的自由电子密度。

(2)式中，T0—0°C时的绝对温度；Tn—室温。

由式(1)、(2)可以发现，只要找到一个合适的温度补偿值，它是室温Tn的函数，将其加到测量值EAB(T,Tn) 上，可算出EAB(T,T0),再根据手册提供的温度—热电势对照表（分度表）就可以得出相应的检测点的温度。

三、电桥补偿法电桥补偿法工作原理如图2所示。

电桥的输出端与热电偶串联，并将热电偶的冷端与电桥置于同一温度场中。

设计电桥时一般选择20°C为电桥平衡温度，此时a、c两点电位相等，电桥输出电压为零。

当温度不等于20°C时，热电偶由于冷端温度变化使热电偶的输出电势产生变化量△E，此时由于RH（RH的电阻温度系数较大，其余桥臂电阻均由电阻温度系数很小的锰铜丝绕成，可认为其阻值不随温度变化）的阻值变化，使a、c两点间电位不等，电势差不为零，自动给出一个补偿电势△E`。

由于△E和△E`大小相等，方向相反，这样便达到自动补偿的目的。

但此法中，不同型号的补偿器只能与相应的热电偶配套使用，而且只能在规定的范围内使用，通常为0~40°C。

实验一K型热电偶冷端温度补偿实验一、实验目的：了解热电偶冷端温度补偿器的原理与补偿方法。

二、需用器件与单元：主机箱中的智能调节器单元、电压表、转速调节0~24V电源、15V直流稳压电源；温度源、Pt100热电阻（温度控制传感器）、K热电偶（温度特性实验传感器）、温度传感器实验模板；压力传感器实验模板（作为直流mV信号发生器）、冷端温度补偿器、补偿器专用+5V直流稳压电源。

三、基本原理：本实验为K分度热电偶。

冷端补偿器外形为一个小方盒，有4个引线端子，4、3接+5V专用电源，2、1输出补偿热电势信号；它的内部是一个不平衡电桥，如图33-1所示。

这个直流电桥称冷端温度补偿器，电桥在0ºC时达到平衡（亦有20ºC平衡）。

当热电偶温度升高时（>0ºC)热电偶回路电势Uab下降,由于补偿器中,PN呈负温度系数,其正向压降随温度升高而下降,促使2端电位上升,使Vi不变达到补偿目的。

图1 热电偶冷端温度补偿器原理四、实验步骤：1、温度传感器实验模板放大器调零：按图2示意接线。

将主机箱上的电压表量程切换开关打到2V档，检查接线无误后合上主机箱电源开关，调节温度传感器实验模板中的Rw2(增益电位器）顺时针转到底，再调节Rw3(调零电位器）使主机箱的电压表显示为0V（零位调好后Rw3电位器旋钮位置不要改动）。

关闭主机箱电源。

图2 温度传感器实验模板放大器调零接线示意图2、调节温度传感器实验模板放大器的增益A为100倍：利用压力传感器实验模板的零位偏移电压作为温度实验模板放大器的输入信号来确定温度实验模板放大器的增益A。

按图2示意接线，检查接线无误后合上主机箱电源开关，调节压力传感器实验模板上的Rw2(调零电位器)，使压力传感器实验模板中的放大器输出电压为0.01V（用主机箱电压表测量）；再将0.01V电压输入到温度传感器实验模板的放大器中，再调节温度传感器实验模板中的增益电位器Rw2（小心：不要误碰调零电位器Rw3），使温度传感器实验模板放大器的输出电压为1.000V（增益调好后Rw2电位器旋钮不要改动）。